RU196346U1

RU196346U1 - Energy-efficient electric traction system for electric vehicle on solar panels

Info

Publication number: RU196346U1
Application number: RU2019116515U
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Захлебаев; Иван Игоревич Касаткин; Иван Андреевич Селин
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-02-26

Abstract

Полезная модель относится к электрическим тяговым системам транспортных средств, в частности к электрическим системам, имеющим в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях.Полезная модель описывает электрическую тяговую систему транспортного средства, в которой используются солнечные панели, расположенные на кузовных элементах транспортного средства, и модуль расчета оптимального режима движения для эффективного использования энергии. Модуль расчета оптимального режима движения на основе текущих параметров транспортного средства, данных об окружающей среде и математической модели движения транспортного средства способен автоматически поддерживать оптимальный режим движения транспортного средства, при котором заданный участок пути транспортное средство преодолевает с минимальными затратами энергии.The utility model relates to electric traction systems of vehicles, in particular to electric systems having a solar power generation system. A useful model describes an electric traction system of a vehicle using solar panels located on vehicle body elements and a module calculating the optimal driving mode for the efficient use of energy. The module for calculating the optimal driving mode based on the current vehicle parameters, environmental data and the mathematical model of the vehicle’s movement is able to automatically maintain the optimal mode of vehicle movement, in which the vehicle overcomes a given section of the path with minimal energy consumption.

Description

Полезная модель относится к электрическим тяговым системам транспортных средств, в частности к электрическим системам, имеющим в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях. Основные элементы такой электрической системы – электропривод, аккумуляторная батарея и солнечные панели (фотоэлектрические модули). Отличительной особенностью данной модели является наличие модуля расчета оптимального режима движения для прохождения транспортным средством предполагаемого маршрута. The utility model relates to electric traction systems of vehicles, in particular to electrical systems having a solar power generation system. The main elements of such an electrical system are an electric drive, a battery and solar panels (photovoltaic modules). A distinctive feature of this model is the presence of a module for calculating the optimal driving mode for the vehicle to travel the intended route.

В последнее время солнечная энергетика получает широкое распространение. Вместе с этим, развивается идея создания электромобиля с возможностью использования энергии солнечного излучения с помощью фотоэлектрических элементов, и накопления полученной энергии в аккумуляторной батарее, способного передвигаться на значительные расстояния, используя исключительно энергию Солнца.Recently, solar energy has become widespread. Along with this, the idea of creating an electric vehicle with the possibility of using the energy of solar radiation with the help of photovoltaic cells, and accumulating the resulting energy in a battery that can travel considerable distances using exclusively the energy of the sun, is being developed.

Известна тяговая электрическая система электромобиля, включающая в себя аккумуляторную батарею; электропривод; солнечные панели. Во время стоянки возможно увеличение использования солнечной энергии за счет применения дополнительных солнечных панелей (патент CN108284742). Known traction electric system of an electric vehicle, including a battery; electric drive; solar panels. During parking, it is possible to increase the use of solar energy through the use of additional solar panels (patent CN108284742).

Недостатком этого аналога является повышенная стоимость системы из-за применения дополнительных солнечных панелей, использующихся только при стоянке транспортного средства.The disadvantage of this analogue is the increased cost of the system due to the use of additional solar panels, which are used only when the vehicle is parked.

Известна тяговая электрическая система электромобиля на солнечных панелях, включающая в себя аккумуляторную батарею; солнечные панели; электропривод, контроллер солнечных панелей, контроллер аккумуляторной батареи. Массив солнечных модулей разделен на часть высокого и низкого напряжения (патент CN207059794).Known traction electric system of an electric vehicle on solar panels, including a battery; solar panels; electric drive, solar panel controller, battery controller. The array of solar modules is divided into a part of high and low voltage (patent CN207059794).

В качестве прототипа выбрана электрическая система электромобиля на солнечных панелях, описанная в патенте «Solar car electricity supply system and method». Система включает в себя аккумуляторную батарею, солнечные панели, электропривод, контроллер солнечных панелей (патент CN107901768). As a prototype, the electric system of an electric vehicle on solar panels, described in the patent "Solar car electricity supply system and method", was selected. The system includes a battery, solar panels, an electric drive, a solar panel controller (patent CN107901768).

Недостатком вышеперечисленных аналогов и прототипа является отсутствие эффективного контроля за режимом движения транспортного средства с целью снижения энергопотребления.The disadvantage of the above analogues and prototype is the lack of effective control of the vehicle’s driving mode in order to reduce energy consumption.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является относительно небольшой запас хода электромобиля на солнечных панелях – расстояния, которое способно преодолеть транспортное средство без заряда тяговой аккумуляторной батареи от сети.Thus, the technical problem to which the proposed utility model is directed is the relatively small power reserve of the electric vehicle on solar panels - the distance that a vehicle can travel without charging the traction battery from the network.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в состав электрической тяговой системы, содержащей систему генерации электроэнергии на солнечных панелях, включается модуль расчета оптимального режима движения, который на основе текущих параметров транспортного средства, данных об окружающей среде и математической модели движения транспортного средства способен автоматически поддерживать оптимальный режим движения транспортного средства, при котором заданный участок пути транспортное средство преодолевает с минимальными затратами энергии.The solution to this technical problem is achieved by the fact that the structure of the electric traction system containing the solar power generation system includes a module for calculating the optimal driving mode, which, based on the current vehicle parameters, environmental data and a mathematical model of the vehicle’s movement, can automatically support optimal mode of vehicle movement, in which the vehicle overcomes a given section of the path with a minimum bubbled energy.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в использовании в составе электрической тяговой системы транспортного средства солнечных панелей, расположенных на кузовных элементах транспортного средства и модуль расчета оптимального режима движения для эффективного использования энергии. Солнечные панели обеспечивают дополнительной энергией тяговую аккумуляторную батарею и электропривод при солнечной погоде. Таким образом, достигается увеличение запаса хода транспортного средства.The technical result of the claimed utility model consists in the use of solar panels in the vehicle’s electric traction system located on the vehicle’s body elements and a module for calculating the optimal driving mode for the efficient use of energy. Solar panels provide additional energy to the traction battery and electric drive in sunny weather. Thus, an increase in the power reserve of the vehicle is achieved.

На фиг. 1 представлена структурная схема энергоэффективной системы с тяговым электрическим приводом, имеющей в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях. Сплошными линиями указаны линии питания электрических устройств, пунктиром указаны линии, передающие информационные и управляющие сигналы. На схеме представлены низковольтные устройства 1, понижающий преобразователь напряжения 2, тяговая аккумуляторная батарея 3, панель управления 4, контроллер защиты батареи 5, главное реле 6, педали газа и тормоза 7, контроллер телеметрии 8, реле разряда 9, реле заряда 10, контроллер двигателя (инвертор) 11, контроллер отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей (MPPT) 12, модуль расчета оптимального режима движения 13, тяговый электродвигатель 14, солнечные панели 15.In FIG. 1 is a structural diagram of an energy-efficient system with a traction electric drive having a system for generating electricity on solar panels. Solid lines indicate the power supply lines of electrical devices, dotted lines indicate lines transmitting information and control signals. The diagram shows low-voltage devices 1, step-down voltage converter 2, traction battery 3, control panel 4, battery protection controller 5, main relay 6, gas and brake pedals 7, telemetry controller 8, discharge relay 9, charge relay 10, engine controller (inverter) 11, the controller for tracking the maximum power point of solar panels (MPPT) 12, the module for calculating the optimal mode of movement 13, traction motor 14, solar panels 15.

На фиг. 2 представлена функциональная схема энергоэффективной системы с тяговым электрическим приводом, имеющей в составе систему генерации электроэнергии на солнечных панелях. Схема включает в себя контроллер отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей, реле заряда, реле разряда, токоограничительный резистор 16, главное реле, понижающий преобразователь напряжения, кнопка включения питания 17, реле 18, двигатель, датчик тока 19, предохранитель 20, солнечные панели, тяговую аккумуляторную батарею, вентилятор охлаждения батареи 21, контроллер двигателя (инвертор), панель управления, световые сигналы и гудок 22, педали газа и тормоза, контроллер телеметрии, контроллер защиты батареи и модуль расчета оптимального режима движения, CAN-шина 23. Контроллер телеметрии и контроллер защиты батареи являются аппаратно-программными комплексами на базе программируемых микроконтроллеров. In FIG. 2 shows a functional diagram of an energy-efficient system with a traction electric drive, which includes a system for generating electricity on solar panels. The circuit includes a controller for tracking the maximum power point of solar panels, a charge relay, a discharge relay, a current limiting resistor 16, a main relay, a step-down voltage converter, a power on button 17, a relay 18, an engine, a current sensor 19, a fuse 20, solar panels, a traction battery, battery cooling fan 21, motor controller (inverter), control panel, light and horn 22, gas and brake pedals, telemetry controller, battery protection controller and optim module nogo driving mode, CAN-bus controller 23. The telemetry and battery protection controller are hardware-software systems based on programmable microcontroller.

Тяговая аккумуляторная батарея в электрической системе позволяет сглаживать колебания генерируемой электроэнергии в солнечных панелях. The traction battery in the electrical system allows you to smooth out fluctuations in the generated electricity in solar panels.

В целях безопасности используются нормально открытые реле (контакторы), способные при длительной остановке транспортного средства или в аварийном состоянии разомкнуть цепь высокого напряжения и изолировать друг от друга солнечные панели, двигатель и аккумуляторную батарею. Контроллер защиты батареи следит за параметрами аккумуляторной батареи (ток, напряжение, температура) и управляет реле в зависимости от значения этих параметров.For safety reasons, normally open relays (contactors) are used, which can, when the vehicle is stopped for a long time or in emergency condition, open the high voltage circuit and isolate the solar panels, motor and battery from each other. The battery protection controller monitors the parameters of the battery (current, voltage, temperature) and controls the relay depending on the value of these parameters.

На схеме на фиг.1 представлено главное реле, при отключении которого основная аккумуляторная батарея полностью отключается от всех источников и потребителей электроэнергии. Реле заряда и разряда могут раздельно управлять питанием соответствующих контуров при условии замкнутого главного реле.The diagram in figure 1 shows the main relay, when disconnected, the main battery is completely disconnected from all sources and consumers of electricity. The charge and discharge relays can separately control the power supply of the respective circuits provided that the main relay is closed.

Все низковольтные устройства получают питание от понижающего преобразователя напряжения. All low-voltage devices are powered by a step-down voltage converter.

Солнечные панели преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Если мощность, генерируемая солнечными панелями больше расходуемой, то избыток энергии накапливается в тяговой аккумуляторной батарее. Если мощность солнечных панелей меньше расходуемой, то недостаток энергии компенсируется за счет тяговой аккумуляторной батареи.Solar panels convert the energy of solar radiation into electrical energy. If the power generated by solar panels is more than consumed, then excess energy is accumulated in the traction battery. If the power of the solar panels is less than consumed, then the lack of energy is compensated by the traction battery.

Для наиболее эффективной работы солнечных панелей необходимо использование контроллера для отслеживания точки максимальной мощности солнечных панелей (MPPT – Maximum power point tracker) на вольт-амперной характеристике.For the most efficient operation of solar panels, it is necessary to use a controller to track the maximum power point tracker (MPPT) on the current-voltage characteristic.

Для преобразования постоянного напряжения батареи в переменное и управления двигателем используется инвертор. При торможении двигатель может работать в режиме генератора (рекуперативное торможение).An inverter is used to convert the DC voltage of the battery to AC and control the motor. When braking, the engine can operate in generator mode (regenerative braking).

Контроллер телеметрии получает параметры батареи, солнечных панелей и электропривода в режиме реального времени, наиболее важные параметры отображаются на панели управления. Контроллер телеметрии также определяет текущее местоположение транспортного средства при помощи gps-трекера.The telemetry controller receives the parameters of the battery, solar panels and electric drive in real time, the most important parameters are displayed on the control panel. The telemetry controller also determines the current location of the vehicle using a GPS tracker.

Скорость движения транспортного средства может регулироваться вручную, с помощью электронной педали газа, или автоматически с помощью модуля расчета оптимального режима движения. В этом режиме автоматически поддерживается такая скорость, при которой предполагаемый участок пути транспортное средство преодолевает с минимальными затратами энергии. Включение и выключение режима оптимального движения осуществляется водителем с помощью панели управления. The vehicle speed can be adjusted manually, using the electronic gas pedal, or automatically using the module for calculating the optimal driving mode. In this mode, a speed is automatically maintained at which the vehicle overcomes the intended track section with minimal energy. Switching on and off the optimal movement mode is carried out by the driver using the control panel.

Модуль расчета оптимального режима движения обрабатывает данные, полученные от контроллера телеметрии, и рассчитывает оптимальную скорость движения для заданного участка пути. Параметры участка пути задаются на панели управления. The module for calculating the optimal travel mode processes the data received from the telemetry controller and calculates the optimal speed for a given section of the path. The parameters of the path section are set on the control panel.

Для вычисления оптимального плана использования энергии, осуществляется подбор скорости для каждого из участков маршрута таким образом, чтобы потребление энергии в течение всего маршрута было минимальным. To calculate the optimal plan for energy use, the selection of speed for each of the sections of the route is carried out so that energy consumption during the entire route is minimal.

Оптимальная скорость вычисляется на основе математической модели, построенной на основе энергетического баланса генерируемой и потребляемой энергии. Модель движения транспортного средства, на основе которой рассчитывается оптимальный режим движения, учитывает различные факторы, такие как характеристики маршрута (профиль, протяженность), внешней среды (температура, солнечная активность, ветер) и транспортного средства (масса, коэффициент аэродинамического сопротивления, коэффициент сопротивления качению и т.д.).The optimal speed is calculated on the basis of a mathematical model built on the basis of the energy balance of the generated and consumed energy. The vehicle’s motion model, based on which the optimal driving mode is calculated, takes into account various factors, such as the characteristics of the route (profile, length), the environment (temperature, solar activity, wind) and the vehicle (mass, aerodynamic drag coefficient, rolling resistance coefficient etc.).

Для моделирования приходящей энергии берутся в расчёт следующие характеристики: дата; временной промежуток получения энергии; географическая широта; эффективность солнечных панелей, площадь массива солнечных панелей; погодные условия (температура, затенённость, осадки); рельеф маршрута. Моделирование может быть осуществлено на основе данных об окружающей среде, получаемых в реальном времени, или же на основе заранее собранных статистических данных.To model the incoming energy, the following characteristics are taken into account: date; time period for energy production; geographical latitude; the efficiency of solar panels, the area of the array of solar panels; weather conditions (temperature, shadowing, precipitation); relief of the route. Modeling can be carried out on the basis of real-time environmental data, or based on pre-collected statistics.

Для моделирования расходуемой энергии используется информация о маршруте и физических характеристиках самого транспортного средства, то есть: рельеф маршрута (длина участка, его наклон, высота); скорость движения транспортного средства; масса; лобовая площадь; коэффициент аэродинамического сопротивления; эффективность тягового компонента (без трансмиссии); коэффициент сопротивления качению.Information on the route and the physical characteristics of the vehicle itself is used to model the energy used, that is: the topography of the route (length of the section, its slope, height); vehicle speed; weight; frontal area; aerodynamic drag coefficient; traction component efficiency (without transmission); coefficient of rolling resistance.

Расчёт расходуемой энергии сводится к вычислению работы, которую необходимо совершить транспортному средству для преодоления заданного участка трассы. Для этого вычисляются отдельные компоненты работы, в их числе: работа по преодолению аэродинамического сопротивления; работа по преодолению силы сопротивления качения; работа по передвижению транспортного средства в пространстве, в зависимости от профиля маршрута.The calculation of the energy consumed is reduced to calculating the work that the vehicle needs to complete to overcome a given section of the route. For this, the individual components of the work are calculated, including: work to overcome aerodynamic drag; work to overcome the rolling resistance force; work on moving a vehicle in space, depending on the profile of the route.

Для уменьшения энергопотребления помимо применения наиболее эффективных компонентов (электропривода, солнечных панелей, тяговой аккумуляторной батареи) и облегчения корпуса транспортного средства с системой солнечной генерации, важно использование оптимальной аэродинамической формы транспортного средства для уменьшения аэродинамического сопротивления. In order to reduce energy consumption, in addition to using the most efficient components (electric drive, solar panels, traction battery) and facilitating the vehicle body with a solar generation system, it is important to use the optimal aerodynamic shape of the vehicle to reduce aerodynamic drag.

Claims

The vehicle’s electric traction system, comprising a solar panel power generation system, characterized in that it comprises a battery protection controller, a telemetry controller, an engine controller, a solar panel maximum point tracking controller and a module for calculating the optimum driving mode, while the telemetry controller is connected with battery protection controller, with solar panel maximum power point tracking controller, with motor controller and with gas pedals and brakes, the optimal driving mode calculation module is connected to the telemetry controller and the engine controller, the battery protection controller is connected to the traction battery, to the discharge relay and to the charge relay, while the optimal driving mode calculation module based on the current vehicle parameters, data about environment and a mathematical model of the vehicle’s movement is able to automatically maintain a mode of movement in which the vehicle overcomes a given section of the path with a minimum total energy costs.